面向装配式建筑的3Dexperience BIM解决方案

寂静回声

BIM技术自从2003年引入中国之后，经过前期几年的铺垫，从2009年之后才普遍被行业认可，现在已发展成为建筑工程行业最热门的信息化技术。然而，在早期的爆炸式发展之后，近年来的BIM应用水平似有陷入停顿之感，至今还有很多问题尚未解决。而当初行业创新者对BIM的畅想，到现在也还远远没有实现。其中既有软件技术方面的原因，也有行业自身的原因。

以目前国内BIM应用的水平现状而言，最显著的几个特点是：

1) 应用BIM的项目中，绝大部分都是CAD/BIM并行模式（通常称为“后BIM” ），而非“BIM正向设计”。

为什么建筑业要用2D设计完了之后再翻成3D呢？究其根本原因，无非以下几点：

• 3D建模的效率不如2D：一些在2D绘图中可以很快画出来的内容，精确的3D建模需要更长时间。
• 3D模型不适合出图：建筑业的现状仍然要求2D图纸交付，这也是实际情况。
  
  

因此，在建筑设计阶段出图时间非常紧张的情况下，大量项目其实还是用传统方式设计，只是包了一个BIM的皮而已，也就可以理解了。

2) 设计与施工脱节的状况没有改观。

从BIM理念刚诞生之时开始，“衔接设计与施工之间的信息断裂”就是作为BIM的重要价值之一而提出。然而，现在的BIM工具真的做到这一点了吗？在设计师创建BIM的绝大部分项目里，施工方并没有参与模型的创建过程，因此常常听到施工方反馈设计方给出的BIM模型并没有多大用处，有很多施工需要的信息在模型中并没有得到体现。而在实际工作中，设计方给出的图纸（即便是用了BIM之后）在很多情况下也不能真正达到“按图施工”的水准，施工方和预制方还是需要根据设计图纸进行大量的深化设计

3) 缺乏项目全流程的协同管理。

之所以形成这样的局面，从行业层面来说，与制造业的高度机械化、自动化不同，传统的建筑业生产流程中大量工序是由工人在建筑现场手工完成的（例如绑钢筋、支模板），因此便于携带、查看的图纸就显得必不可少。但随着装配式技术的应用，实际上对图纸的需求是与以前不同的。对于装配式建筑（包括现在的幕墙、钢结构项目）而言，我们可以把用于预制生产的加工图（英文称为shop drawing）和用于现场组装的安装图区分开来。前者的用途是精确描述构件细节以便于制造产品，只要满足生产要求，随着数控技术的进步，完全可以像先进制造业一样实现不用图纸的全3D数控生产。后者仍然是提供给工地现场的，但应着重于描述结点连接方式、安装方法等信息，而无需过多描绘构件本身的细节（因为构件已经作为实物提供给工地了）。因此，前者可以逐步被3D技术所取代，而后者虽然不会消亡，但其关注的信息和表达形式应当与传统的施工图有所不同。

从软件工具层面来说，传统的BIM软件基本上都是由建筑师开发的，虽然满足建筑师习惯的流程和做法，但面临建筑行业的流程变革时就显得力不从心。很多传统的BIM软件都不具备一些用于装配式建筑的重要功能：

1）以制造级别的高度精确和可靠性来描述构件的几何形体和空间位置。

（2）以不同的颗粒度来描述构件的组成结构和装配关系。比如一个幕墙面板单元可以拆分成几十个不同的零件，每个零件都要分别制造、编码，最后精确装配起来。这样的层级分解结构在很多传统BIM软件里面是不存在的。

（3）通过模型来记录施工工艺和操作方法。

（4）连接上下游、不同企业的网络协作平台。

作为制造业最高端的产品全生命期管理（PLM）解决方案供应商，达索系统在进入建筑工程行业时选择了一条和传统BIM软件厂商不同的道路：把装配式建筑作为我们的发展重点。达索系统的建筑工程行业解决方案具有以下几个方面的优势：

（1）基于物料清单（BOM，Bill of Materials）的数据管理；

（2）制造级精度的3D正向设计；

（3）设计与施工的集成仿真；

（4）流程与数据结合的协作平台。

为了实现不同的业务流程，达索系统在3Dexperience平台上集成整合了不同的软件应用，包括用于3D建模设计的CATIA、用于施工仿真的DELMIA、用于协作管理的ENOVIA，并且根据建筑工程行业的独特之处进行了专门增强，形成了“设计制造一体化”、“优化施工”等行业解决方案。因此，要通过BIM来促进装配式建筑的普及应用，实现建筑工程行业的全面转型，一方面需要行业有识之士推动行业的流程和标准改变，另一方面也要研究从制造行业产生的全生命期软件系统，而不是抱残守缺地沿用现有软件。

(1) 基于物料清单（BOM）的数据管理

在制造业，使用的是“基于BOM”的工作模式。对于一个大型产品，首先用逻辑结构树将其分解为子部件，每一个子部件还可以继续分解，如此一级一级展开，直到最基本的零件为止。当需要部件信息时，就在结构树上找到相应的对象结点，从其中可以获取部件的3D模型、设计参数、采购信息等所有数据。而部件之间的层级结构、逻辑关系等信息则通过结构树的组织体现出来。——建筑物同样可以采取类似的方式，例如将一栋大厦分解成主楼、裙房和地下，每个部分进一步按楼层分解，每个楼层中再包含梁柱门窗等构件。针对每一个构件对象，我们都可以把它作为一个实体来单独管理它的设计参数、访问权限、历史版本等所有数据。同时，设计师还可以根据工艺需求决定每个部件是否需要进一步拆分、如何拆分（例如一个门可以拆分成门框、门扇和合页），并生成构件清单、加工图、材料统计表等。

对于大型协作性项目，对象结构树的另一个重要用途是专业之间的参数共享。每个专业都可以把需要对外共享的设计参数发布在结构树上，当下游专业需要引用上游专业的对象或者参数的时候，就可以直接从结构树上实时引用。一旦上游专业的信息发生了变更，系统就会自动通知下游专业并且自动更新，从而保证设计信息的一致性。而传统的基于“外部参照”模式的设计协同是无法实现这一点的。正是因为CATIA模型中包含所有的准确信息和逻辑关系，使得设计师能够洞察全局，对所有信息都了如指掌。正因如此，在飞机、船舶等大型制造业都使用CATIA。

(2) 制造级精度的3D正向设计

与传统的BIM软件相比，强大的3D参数化图形引擎也是CATIA的重要优势。无论是复杂的装配结构，还是连续、精确的空间曲面，在CATIA里面处理起来都相当轻松。此外，依靠强大的参数化技术，CATIA还可以通过编程创建“计算出的建筑”，从而实现用人工方式很难完成的任务。

今天的方案设计人员常常使用Rhino在前期进行造型设计，并与一些渲染工具连接生成绚丽的效果图，但它只是纯粹的造型工具，不包括任何BIM信息，也很难和生产制造系统连接起来。而CATIA和Rhino同样支持强大的NURBS曲面，因此既可以用CATIA创建曲面，也可以把Rhino创建的曲面无缝导入到CATIA里面。在方案造型创建完成后，可以使用达索系统的CATIA建筑方案工具，快速从体量创建建筑、结构专业的方案模型。设计师可以使用预定义的概念级深度（LOD 200）的构件模型（例如门窗、梁、柱等）快速创建方案，等到方案大致确定后，CATIA可以把LOD 200级别的构件模型替换成LOD 300~400级别的精细化模型。设计师可以在此基础上进行深化设计，添加更多的细节，直到包含预制加工所需的所有信息。在这一过程中，CATIA特有的“知识工程”功能可以发挥重要的作用。大量繁琐的细节建模，只要能总结出逻辑规律，就可以通过空间骨架线快速定位，然后使用CATIA的脚本语言进行自动化建模工作，从而极大地提高效率，减轻人工负担。

CATIA还提供了丰富的专业建模工具，例如钢结构的节点详细设计、钢混构件的3D钢筋建模、金属面板的钣金设计，都可以直接利用CATIA的现成工具来完成。而设计完的3D数字模型，还可以和数控生产设备结合起来，以自动化的方式制造实物，甚至无需传统图纸

对于已经使用传统BIM软件的项目来说，CATIA也可以通过IFC等格式导入传统BIM软件建立的模型，并在此基础上进行深化设计。然而需要注意的是，传统BIM软件的模型几何精度往往较低，同时在导出IFC格式时常常出现数据丢失，因此导入后需要仔细检查。

(3) 设计与施工的集成仿真

当有了包含准确信息的3D模型之后，下一步要做的就是根据模型研究施工方法，编制施工组织计划。在达索系统的DELMIA中，一方面支持“由上而下”的施工任务分解和进度规划，另一方面还支持对于重点工艺进行“由下而上”的虚拟仿真，严格模拟重点工艺的施工过程，验证其可行性，评估风险，并且探索更好的施工方案。

要实现满足工程真实性的施工仿真，通常要对BIM模型进行整理和重构，将设计BIM模型转换成施工BIM模型。首先，设计构件和施工构件可能是不一样的，有时需要把构件进行拆分（例如设计中的一片楼板在施工中要分段来做），而有时又需要把构件进行合并（例如墙连柱的施工）。其次，施工模型中往往需要增加辅助设施，例如脚手架、塔吊、以及各种施工设备。然后，需要把模型构件和任务进度、设备资源关联起来，从“静态模型”变成“动态模型”。由于建筑模型中的构件数量往往相当多，软件应当能够根据用户给定的逻辑规则和构件的BIM信息自动生成这样的关联关系，而不是让用户进行繁琐的手工关联。一些常用的工艺流程还可以在系统中保存为工艺模板，在以后重复调用。

有了这样的集成仿真之后，我们就可以在实际建造之前，预先在3D软件里以虚拟的方式建造一次整个建筑。在虚拟建造的过程中，可以分析施工计划是否合理？施工工艺是否可行？设备资源是否存在瓶颈或者冗余？通过这样的工作，可以提前发现可能存在的问题，并使每一个施工人员都了解他们将要完成的任务，从而提高现场的操作效率，降低风险，并且节省成本和工期。

最后，施工仿真的输出成果应该是准确可靠的施工组织计划和工艺指导，而4D动画只是次要的伴生产品。

(4) 流程与数据结合的协作平台

达索系统的CATIA和DELMIA是强大的BIM建模与仿真工具，但要真正把设计、施工、业主等人员衔接起来，光有模型是不够的，还需要一个跨越生命期上下游的协同平台。如果没有协同平台，BIM模型中的信息再多也没法利用。因此，我们通过3Dexperience平台上的ENOVIA，保证各方都能随时从单一数据源获得最新的准确信息并进行管理。

在项目管理中有三个核心要素：质量、时间、成本。达索系统ENOVIA的独特之处在于，它把质量、时间、成本这三个要素有机的结合起来，对项目各要素进行全面的管理。假想一个典型的建筑综合体项目，设计负责人可以把它划分成塔楼、裙房、地下等几个部分，每个部分分别指定建筑、结构、设备等不同专业的负责人，分配工作任务并制定进度计划。每个专业的设计人员都将接收到任务信息，还可以在自己的任务节点下进一步细分子任务，并且进行建模工作。项目经理只要通过任务链接就可以查看到各个专业的模型成果。同时，由于所有模型都集中在同一个服务器数据库中，只要有相应的权限，每个专业设计人员都可以随时获得其它专业的模型成果。所有人在一个集成模型上以实时协同的方式开展工作，从而保证信息的准确一致性。通过访问权限和版本控制，设计师也可以决定是否允许业主、施工方登录到系统来查看最新的模型成果。如果允许其它参建方进行在线评审，那么他们就可以在网络平台上标注发现的问题，并且提交给设计师进行检查。一旦提交反馈意见，系统还可以自动通知相关设计师，并追踪反馈……值得一提的是，3Dexperience平台是基于构件数据库而不是文件来管理操作权限，因此可以针对每个构件去设置其访问权限、历史版本等信息，从而提供了极大的灵活性。

更重要的是，使用基于构件数据库的模型，可以方便的用于管理构件生产、物流、安装的全过程。这个过程中的信息是很难用图纸进行管理的，需要部署基于物料清单的制造执行系统（MES）和施工管理系统，而这恰恰是来自制造业的达索系统擅长的地方。

对于构件预制方，不仅可以直接从达索平台获取准确详尽的构件信息用于生产工艺，还可以使用构件清单用于生产管理，例如编制生产进度计划、实际进度的跟踪对比、统计资源与材料用量、风险管理等等。项目经理可以在系统中了解每一个构件的当前状态：是正在生产，还是已经在物流途中？是由哪台设备生产的，质量检验文档在哪里？工厂经理也可以了解：本月需要生产多少个构件，每种规格各有多少？为此需要准备多少原材料和设备资源？如果某个构件出现质量问题，是否能追溯到当时的生产设备和责任人？在此过程中，我们还可以把ENOVIA与物联网系统进行集成，以便实时跟踪每个构件的准确状态。

对于施工安装现场，ENOVIA同样可以用于现场的施工计划管理、业务流程管理和风险管理。同时，它提供了丰富的集成接口，可以与其它IT系统（例如ERP系统、物流系统、以及现有的项目管理软件）非常方便的进行集成。

正如同“淘宝”平台可以支持消费者和卖家在一个系统中完成信息对接、在线下单、物流跟踪、确认付款等购物全流程一样，“3Dexperience”平台也可以支持建筑项目各方在线完成方案沟通、协同设计、集成校审、进度跟踪、数据交付、生产管理等全过程。因此，如果说“淘宝”提供的是电子商务的购物体验，达索系统提供的则是基于3D数据的建筑全生命期业务体验。如果我们能用制造业的方式去建造一艘航空母舰，那么也应当能够用制造业的方式来建造一栋建筑物。